El nuevo catálogo LIGO–Virgo–KAGRA establece nuevos récords en astronomía gravitacional de precisión
La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA publicó hoy un nuevo catálogo de eventos de ondas gravitacionales. Se han añadido a la colección un total de 161 eventos, detectados entre abril de 2024 y finales de enero de 2025, lo que eleva el número total de señales de ondas gravitacionales detectadas hasta la fecha a 390. Entre los hallazgos más significativos se encuentran: evidencia de la existencia de agujeros negros de segunda generación, la localización celeste más precisa jamás lograda para una fuente de ondas gravitacionales y la primera medición de tres modos de vibración de un agujero negro. Una riqueza de resultados que marca la mayoría de edad de la astronomía gravitacional.
La red internacional de detectores de ondas gravitacionales LIGO, Virgo y KAGRA (LVK) ha anunciado hoy la publicación en línea de un catálogo actualizado de todos los eventos de ondas gravitacionales observados hasta la fecha, denominado Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), con los artículos científicos correspondientes presentados al Astrophysical Journal y Astrophysical Journal Letters. Los datos analizados en este trabajo fueron recopilados por los detectores entre abril de 2024 y finales de enero de 2025, durante una parte de la cuarta ejecución de observación (O4) conocida como O4b. Durante este período, se detectaron 161 nuevos eventos de ondas gravitacionales, lo que eleva el número total de eventos confirmados observados por la red desde la primera detección en 2015 a la asombrosa cifra de 390. La red internacional LVK está formada por los detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF LIGO), el detector Virgo alojado en el Observatorio Gravitacional Europeo en Italia y el KAGRA japonés alojado en el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio.
Esta última actualización del catálogo, junto con la anterior GWTC-4, que cubre los eventos recopilados entre mayo de 2023 y enero de 2024, contiene el 75% de todos los eventos de ondas gravitacionales observados hasta ahora desde la primera detección en 2015. Este impresionante resultado demuestra cuán cruciales son las actualizaciones de los detectores para aumentar la sensibilidad, lo que lleva a un crecimiento extraordinario en el número de eventos detectados con cada ejecución de observación sucesiva. De hecho, la colaboración internacional LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) alterna períodos de recopilación de datos (ejecuciones de observación) con fases dedicadas a las actualizaciones y puesta en servicio de los detectores. Es también por eso que el catálogo de eventos de ondas gravitacionales, incluidos los datos validados y los parámetros físicos de las fuentes, se actualiza y comparte periódicamente con la comunidad científica en general.
"La extraordinaria sensibilidad de nuestros detectores", afirma Ed Porter, investigador del Laboratorio de Astropartículas y Cosmología (APC) del CNRS, "nos permite ahora capturar tres o cuatro señales de ondas gravitacionales cada semana. Esta riqueza cada vez mayor de datos, en la que toda una comunidad de científicos y astrónomos está trabajando para analizar y estudiar, nos ha llevado de la era de los descubrimientos iniciales a la de la astronomía gravitacional de precisión. Hoy en día, los estudios de ondas gravitacionales permiten realizar análisis que antes eran inimaginables: investigaciones sobre poblaciones de agujeros negros, pruebas cada vez más precisas de la relatividad general en las condiciones físicas extremas de los fenómenos que observamos y el desarrollo de nuevos métodos para obtener estimaciones cada vez más precisas de la constante de Hubble es un escenario por el que no mucha gente habría apostado hace apenas diez años”.
Además de las nuevas perspectivas abiertas por este extraordinario número de observaciones, el nuevo catálogo también incluye varias detecciones que son en sí mismas excepcionales y establecen nuevos récords en observaciones astronómicas de ondas gravitacionales: la mejor localización del cielo jamás lograda para una fuente de ondas gravitacionales, la señal de ondas gravitacionales más clara jamás registrada y evidencia de la existencia de agujeros negros de segunda generación.
La mejor localización del cielo jamás lograda
Una señal detectada por los dos detectores LIGO en Estados Unidos y Virgo en Europa el 15 de junio de 2024, y por lo tanto llamada GW240615, estableció el récord de localización del cielo más precisa entre todos los eventos de ondas gravitacionales observados hasta la fecha. La fuente fue identificada dentro de un área de sólo 6 grados cuadrados, una porción relativamente pequeña de la esfera celeste. Este rendimiento excepcional se logró gracias a la triangulación utilizando datos de los tres detectores activos en ese momento, incluido Virgo, que se reincorporó a la campaña de observación en abril de 2024 al comienzo de O4b, contribuyendo significativamente a las capacidades de localización de las fuentes por la red de detectores.
"La localización cada vez más precisa de las fuentes en el cielo es claramente una de las prioridades de toda la comunidad astronómica, con el fin de buscar en la región más pequeña posible del cielo señales electromagnéticas generadas por los eventos observados, especialmente en el caso de fusiones de estrellas de neutrones o entre un agujero negro y una estrella de neutrones", dijo Marie Anne Bizouard, portavoz de la Colaboración Virgo e investigadora del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS) en Niza. La contribución de Virgo sería decisiva para mejorar la localización de las fuentes de ondas gravitacionales observadas y estamos orgullosos del excelente trabajo realizado por el equipo responsable de la puesta en servicio del detector, que se ha visto recompensado con este resultado récord”.
El evento de ondas gravitacionales observado con esta localización récord fue la fusión de dos agujeros negros, con masas de aproximadamente 26 y 30 masas solares, que colisionaron violentamente a más de 3 mil millones de años luz de la Tierra.
Las mejoras en la capacidad de la red para localizar eventos, junto con el aumento en el tamaño del conjunto de datos, también permitieron una mejor estimación de la constante de Hubble, H0, que indica el ritmo de expansión actual del Universo. Utilizando el conjunto de datos GWTC-5, la colaboración LVK obtuvo una nueva medición independiente de la constante de Hubble, H0 = km/s/Mpc, que es un poco más de un 25 % más precisa que la estimación procedente de la publicación anterior del catálogo. Este valor es totalmente consistente con mediciones establecidas desde hace mucho tiempo tanto de nuestra vecindad cósmica como del Universo temprano, pero aún no es lo suficientemente preciso como para resolver la tensión entre esas mediciones.
La señal de onda gravitacional más clara jamás registrada
Detectar ondas gravitacionales no significa simplemente capturar una señal, sino extraerla del ruido que perturba a los detectores. Esto requiere intensos esfuerzos de mitigación del ruido y análisis de datos altamente sofisticados, razón por la cual la “intensidad” o “claridad” de una señal se expresa a través de la relación señal-ruido (SNR). El catálogo publicado hoy incluye la señal de onda gravitacional "más clara" jamás detectada, con una relación señal-ruido de 76,9. Esta señal, GW250114, llegó a la Tierra el 14 de enero de 2025 y fue generada por la fusión de dos agujeros negros con masas casi idénticas (32 y 34 veces la masa del Sol, respectivamente), que se produjeron a más de mil millones de años luz de la Tierra. Su “claridad” ha dado lugar a algunos resultados científicos excepcionales, que ya han sido publicados y anunciados por la colaboración LVK en los últimos meses, incluida la prueba de relatividad general más precisa jamás realizada y la confirmación del teorema del área del agujero negro de Stephen Hawking.
"Cuando dos agujeros negros se fusionan, la colisión suena como una campana, emitiendo tonos específicos caracterizados por dos números, una frecuencia oscilatoria y un tiempo de amortiguación". dijo el físico Keefe Mitman de la Universidad de Cornell: "Si se mide un tono en los datos de una colisión, se puede calcular la masa y el espín del agujero negro formado en la colisión. Pero si se miden dos o más tonos en los datos, lo que permite una señal clara como GW250114, cada uno de ellos proporciona efectivamente una medición diferente de masa y espín, según la relatividad general.
"Si esas dos mediciones concuerdan entre sí, efectivamente se está verificando la relatividad general", dijo Mitman. "Pero si mides dos tonos que no coinciden con la misma combinación de masa y espín, puedes empezar a comprobar cuánto te has desviado de las predicciones de GR". GW250114 fue lo suficientemente claro como para que los investigadores midieran dos tonos y limitaran un tercero. Todos están de acuerdo con la relatividad general de Einstein.
Agujeros negros de segunda generación
Otro resultado destacado, incluido en el nuevo catálogo publicado hoy, aunque ya había sido anunciado por la Colaboración LVK en los últimos meses, se refiere a dos eventos muy especiales: GW241011 y GW241110. Estas señales, detectadas en octubre y noviembre de 2024, con apenas un mes de diferencia, fueron generadas por dos fusiones de agujeros negros, situados aproximadamente a 700 millones y 2.400 millones de años luz de la Tierra, respectivamente. Ciertas características de estas fusiones –en particular el espín de los agujeros negros (es decir, la orientación y velocidad de sus rotaciones)– indican que los objetos involucrados podrían ser agujeros negros de “segunda generación”, es decir, agujeros negros que son en sí mismos el resultado de fusiones previas. Estos objetos probablemente se formaron en entornos cósmicos muy densos y poblados, como cúmulos estelares, donde es más probable que los agujeros negros colisionen y se fusionen repetidamente. El creciente número de eventos observados también ha permitido a los investigadores estudiar e identificar cada vez más claramente las propiedades de diferentes poblaciones de agujeros negros, y uno de los artículos que acompañan al Catálogo trata precisamente de este aspecto específico.
"Una de las pistas más intrigantes que emergen del nuevo catálogo es la aparición de un grupo de agujeros negros con masas entre 10 y 20 veces la masa del Sol, que parecen compartir una característica común: giran rápidamente, probablemente siendo agujeros negros de 'segunda generación' - dijo Mario Spera, - El enigma no es simplemente que estos agujeros negros giren rápidamente, sino por qué esta subpoblación aparece precisamente con estas masas. Es otro indicio de que el Universo aún puede estar ocultando piezas importantes de la historia de cómo se forman los agujeros negros, nacen, evolucionan y se fusionan, y esta imagen se volverá más rica y sorprendente con cada nuevo catálogo de ondas gravitacionales de LVK”.
La colaboración LIGO-Virgo-KAGRA
LIGO está financiado por la NSF y operado por Caltech y MIT, quienes juntos concibieron y construyeron el proyecto. El apoyo financiero para el proyecto LIGO avanzado estuvo dirigido por la NSF y Alemania (Sociedad Max Planck), el Reino Unido (Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología) y Australia (Consejo Australiano de Investigación) asumieron importantes compromisos y contribuciones al proyecto. Más de 1.600 científicos de todo el mundo participan en el esfuerzo a través de la Colaboración Científica LIGO, que incluye la Colaboración GEO. Se enumeran socios adicionales en https://my.ligo.org/census.php.
La Colaboración Virgo está compuesta actualmente por aproximadamente 1.000 miembros de 175 instituciones en 20 países diferentes (principalmente europeos). El Observatorio Gravitacional Europeo (EGO) alberga el detector Virgo cerca de Pisa en Italia y está financiado por el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia, el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Italia, el Instituto Nacional de Física Subatómica (Nikhef) en los Países Bajos, la Fundación de Investigación – Flandes (FWO) y el Fondo Belga para la Investigación Científica (F.R.S.–FNRS). Puede encontrar una lista de los grupos de colaboración de Virgo en: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/ Más información está disponible en el sitio web de Virgo en https://www.virgo-gw.eu
KAGRA es el interferómetro láser con un brazo de 3 kilómetros de longitud en Kamioka, Gifu, Japón. El instituto anfitrión es el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, y el proyecto está copatrocinado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK). La colaboración KAGRA está compuesta por más de 400 miembros de 128 institutos en 17 países/regiones. La información de KAGRA para el público general se encuentra en el sitio web gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Se puede acceder a los recursos para investigadores en gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.